压电智能骨料的动态响应性能试验研究摘要：基于压电陶瓷材料，设计制作了能够埋入混凝土内部的“智能骨料”，作为传感器进行动态应力测量。根据压电陶瓷片尺寸将传感器分为A型和B型。采用电荷放大器和LMS数据采集系统，对应力传感器在动力加载下的响应进行试验分析。研究发现，传感器表面实测应力与电荷放大器输出电压之间有良好的线性关系；在相同的加载速率下，B型应力传感器的灵敏度系数要高于A型应力传感器，量程小于A型应力传感器。关键词：压电陶瓷；混凝土；应力传感器；动态响应：TM282文献标识码：A：1000-0666（2016）01-0165-060引言正确测量混凝土结构中的应力分布状况，对结构的性能监测、健康诊断和灾害防御均有重要意义。传统的应力测量大都采用在构件表面粘贴应变片的方法，通过测量应变、结合材料的弹性模量间接获得应力数据。这种方法虽然简单直观、成本低廉，但并不能测定结构在非线性受力阶段的应力，并且难以通过粘贴应变片的方法获得混凝土内部的应力数据。为测量混凝土内部应力，需要发展新的应力传感器。1880年居里兄弟发现压电效应，在此后的100多年间，对压电材料的研究受到越来越多的重视（张福学，2001）。压电材料具有优良的频率特性和可集成特性，频响范围宽、敏感频率高，在土木工程健康检测、结构振动控制及压力与应力测量方面有广泛的应用。压电陶瓷（Pie-zoelectricCeramics，P主题）作为压电材料的一种，能够有效实现电信号与力信号的转换，为应力测量提供了可能。Tracy和Chang（1998a，b）率先将压电陶瓷作为传感器用以识别复合板受到的冲击作用。陈雨等（2005）通过分级加载试验，发现P主题元件参数（如压电陶瓷在谐振点和反谐振点处的阻抗、静态电容与动态电容等）与应力之间有着近乎线性的关系。Song等（2007a）将P主题传感器埋入钢筋混凝土梁，通过冲击试验发现力锤输出的力信号峰值与P主题传感器输出的电压信号峰值间有明显的线性关系。湖南大学许斌团队（李立飞，2011；刘益明，2013）发明了基于压电陶瓷的混凝土动态应力传感器，并提出了相应的标定方法，对传感器在冲击荷载、简谐荷载及方波荷载作用下的灵敏度进行了标定。研究发现，由于压电陶瓷材料的压电常数本身有一定的离散性，而压电陶瓷片的焊接和封装过程难免会有一定差异，因此制成的传感器的灵敏度也会有一定的离散性。截至目前，对于在混凝土研究中应用的压电陶瓷应力传感器，大多数研究主要集中于冲击荷载作用试验。本文在前人基础上，设计并制作了一批压电陶瓷应力传感器，通过系列动力加载试验测量传感器表面荷载与输出电压，建立应力一电压关系，为混凝土中的应力测量提供新方法。1压电常数测定当对压电陶瓷施加机械变形时，就会引起内部正负电荷中心发生相对移动而产生点的极化，从而导致元件两个表面上出现符号相反的束缚电荷，电荷密度与单位面积上的外力成比例，这种现象称为正压电效应。压电常数是表征压电材料压电性能的重要参数。一般认为，压电常数越高，压电材料实现电能与机械能间相互转换的能力越强，材料的压电性能越好（李春雷等，2009）。本文试验采用上海联能科技有限公司生产的P主题-5A型压电陶瓷，如图1所示，压电陶瓷分为5mm×5mm×0.3mm（A型）和10mm×10mm×0.3mm（B型）两种尺寸类型，生产厂商给出的压电常数参考值为450×10-12C?N-1。选择两种规格尺寸的压电陶瓷片各75片，采用该公司生产的YE2370A型d33测量仪进行压电常数测量，结果如表1所示。由表1可见，压电陶瓷片的压电常数具有一定离散性，且样本均值与生产厂商给出的参考值之间有一定偏差。图2为测得压电常数分布情况及按照高斯分布拟合的结果，从图中可知，对于同批次、同尺寸的压电陶瓷，其压电常数近似满足正态分布。2应力传感器设计压电陶瓷片与结构主体有粘贴式和埋入式这两种结合方式（孙威，2009）。“智能骨料”即为埋人式的代表（Songetal，2007b；蒙彦宇等，2009）。本文试验所制作的应力传感器由基座、压电陶瓷片、导线、环氧树脂及盖板组成，如图3a所示。基座由水泥净浆浇筑而成，浇筑时预留尺寸约为2.0mm×1.5mm的凹槽。制作应力传感器时，首先在导线一端焊接压电陶瓷片并做...